Tải nhiệt cho thiết bị là tải nhiệt dùng để tính tốn diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết của thiết bị bay hơi. Để đảm bảo được nhiệt độ trong kho trong những điều kiện bất lợi nhất, người ta phải tính tốn tải nhiệt cho thiết bị là tổng các nhiệt tải thành phần cĩ giá trị cao nhất. Cơng suất yêu cầu của thiết bị bao giờ cũng phải lớn hơn cơng suất máy nén, phải cĩ hệ số dự trữ nhằm tránh những biến động cĩ thể xảy ra trong quá trình vận hành. Vì thế tải nhiệt cho thiết bị được lấy bằng tổng của tất cả các tổn thất nhiệt.
QoTB = Q1 + Q2 +Q3 + Q4 + Q5 = 40.25 kW.
Tải nhiệt thiết bị bay hơi cũng là cơ sở để xác định tải nhiệt các thiết bị khác.
3.4.2. Xác định tải nhiệt cho máy nén
Tải nhiệt của máy nén cũng được tính tốn từ tất cả các tải nhiệt thành phần nhưng tùy theo từng loại kho lạnh mà ta cĩ thể lấy một phần của tải nhiệt đĩ.
Do các tổn thất nhiệt trong kho lạnh khơng đồng thời xảy ra nên cơng suất nhiệt yêu cầu thực tế sẽ nhỏ hơn tổng các tổn thất nhiệt, để tránh lựa chon máy nén cĩ cơng suất lạnh quá lớn, tải nhiệt của máy nén cũng được tính tốn từ tất cả các tải nhiệt thành phần, nhưng đối với kho bảo quản sản phẩm thuỷ sản đơng lạnh thì lấy 85%Q1, 100% Q2, 75%Q4.
Từ đĩ ta cĩ phụ tải nhiệt máy nén.
QMN = 85%Q1+100% Q2+75%Q4
= 0,85 x 16294,7+ 1 x 10677,11+ 0,75 x 13275,28 = 34484,07 W.
Năng suất lạnh của máy nén được xác định theo biểu thức. Qo = b Q K× MN , W Trong đĩ:
k - là hệsố lạnh tính đến tổn thất trên đường ống và thiết bị của hệ thống lạnh.
Chọn k = 1,07 [1,121] b - là hệ số thời gian làm việc. Chọn b = 0,9 [1, 121]. Vậy Qo = = × × 1000 9 , 0 07 . 34484 07 , 1 41 kW
Bảng 3.4. Phụ tải nhiệt của máy nén.
Tải nhiệt cho thiết bị Phụ tải nhiệt máy nén Năng suất lạnh Q = 40.25 kW Q = 34.5 kW Qo = 41 kW Ta cĩ a = 99.9 4 . 410 41000 = W/ m2
Với những giá trị định hướng ở tài liệu [1,121] ta cĩ với những kho bảo quản đơng kho lạnh lớn ta cĩ a = 170 W/ m2 với chiều cao kho h = 6m nên với chiều cao h = 3.6m thì a = 100 W/ m2
So sánh 2 giá trị trên ta rút ra nhận xét là với kho lạnh càng lớn thì năng suất lạnh cho một đơn vị diện tích càng nhỏ lại.Giá trị tính tốn phù hợp với kinh nghiệm.
* Lý do chọn:
- Để đảm bảo cho máy nén và thiết bị hoạt động một cách tốt nhất đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và an tồn nhất.
- Đảm bảo cho máy nén và thiết bị đáp ứng được tốt nhất với những thay đổi bất lợi nhất của mơi trường.
- Để đảm bảo cho máy nén đáp ứng được với sự thay đổi tải do cĩ sự thay đổi về loại hàng hĩa và số lượng của nĩ.
TÍNH CHỌN MÁY NÉN VÀ THIẾT BỊ LẠNH.
4.1. Sơ đồ hệ thống lạnh
Sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh được trình bày ở hình 4.1.
4.2. Chọn chế độ làm việc của hệ thống lạnh 4.2.1 Chọn phương pháp làm lạnh
Cĩ nhiều phương pháp làm lạnh kho, tuỳ theo yêu cầu cơng nghệ, đặc điểm của kho lạnh hay các điều kiện khác mà cĩ phương pháp làm lạnh khác nhau .
Các phương pháp làm lạnh được thể hiện ở hình 4.2.
Hình 4.2. Các phương pháp làm lạnh. 1) Làm lạnh trực tiếp
Là phương pháp làm lạnh kho lạnh bằng dàn bay hơi đặt trong kho lạnh, mơi chất lạnh lỏng sơi thu nhiệt của mơi trường cần làm lạnh. Làm lạnh trực tiếp cĩ thể là dàn lạnh đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức.
+ Ưu điểm:
- Thiết bị đơn giản khơng cần thêm một vịng tuần hồn phụ.
- Tuổi thọ cao, kinh tế vì khơng phải tiếp xúc với nước muối là một chất ăn mịn kim loại rất mạnh.
- Đứng về mặt nhiệt động thì ít tổn thất năng lượng vì hiệu nhiệt độ giữa kho lạnh và dàn bay hơi trực tiếp bao giờ cũng nhỏ hơn hiệu nhiệt độ giữa kho lạnh với nhiệt độ bay hơi gián tiếp qua nước muối.
Trực tiếp Nhờ mơi chất lạnh
Làm lạnh kho
Gián tiếp Nhờ chất tải lạnh
Đối lưu khơng khí tự nhiên Đối lưu khơng khí cưỡng bức
- Tổn hao lạnh khi khởi động nhỏ nghĩa là khi làm lạnh trực tiếp thời gian từ khi mở máy đến lúc kho lạnh đạt nhiệt độ yêu cầu sẽ nhanh hơn.
- Nhiệt độ kho lạnh cĩ thể giám sát qua nhiệt độ sơi của mơi chất, nhiệt độ sơi cĩ thể xác định dễ dàng qua áp kế của đầu hút máy nén.
- Dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ bằng cách đĩng ngắt máy nén (đối với máy lạnh nhỏ và trung bình).
+ Nhược điểm:
- Đối với hệ thống máy lạnh lớn thì lượng mơi chất nạp vào máy lớn, khả năng rị rỉ của mơi chất lớn, khĩ cĩ khả năng dị tìm ra được chỗ rị rỉ để xử lý. Tổn thất áp suất cho việc cấp lỏng cho những dàn bay khi ở xa, khĩ hồi dầu nếu dùng mơi chất Frêon, máy nén dễ hút phải ẩm, việc bảo vệ máy nén khĩ khăn.
-Trữ lạnh của dàn lạnh trực tiếp kém khi máy lạnh ngừng hoạt động thì dàn lạnh cũng hết lạnh nhanh chĩng.
2) Làm lạnh gián tiếp
Là phương pháp làm lạnh kho bằng các dàn chất tải lạnh như nước muối, Glycon...thiết bị bay hơi được đặt ở ngồi kho lạnh, chất tải lạnh chạy tuần hồn qua dàn bay hơi thải nhiệt ở đĩ, đến kho lạnh thu nhiệt trong kho lạnh cứ như vậy kho lạnh được làm lạnh liên tục. Dàn lạnh gián tiếp cũng cĩ thể là dàn lạnh đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức.
+ Ưu điểm:
- Hệ thống lạnh cĩ độ an tồn cao, chất tải lạnh khơng cháy, khơng nổ, khơng độc hại đối với cơ thể sống, khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bảo quản. Nĩ là vịng tuần hồn an tồn và ngăn chặn sự tiếp xúc của mơi chất lạnh độc hại đối với sản phẩm.
- Máy lạnh cĩ cấu tạo đơn giản, đường ống dẫn mơi chất ngắn hệ thống lạnh được chế tạo ở dạng tổ hợp hồn chỉnh nên chất lượng cao, độ tin cậy lớn, dễ dàng kiểm tra lắp đặt và hiệu chỉnh.
- Dung dịch chất tải lạnh cĩ khả năng trữ lạnh lớn sau khi máy ngừng hoạt động, nhiệt độ kho lạnh cĩ khả năng duy trì được lâu hơn.
+ Nhược điểm:
- Năng suất lạnh của máy bị giảm do chênh lệch nhiệt độ lớn.
- Tốn năng lượng bổ sung cho bơm hoặc cánh khuấy chất tải lạnh. - Một số chất tải lạnh ăn mịn kim loại chế tạo máy mĩc, thiết bị.
Qua sự phân tích ưu nhược điểm của 2 phương pháp làm lạnh trên. Ta chọn phương pháp làm lạnh cho kho đang thiết kế là phương pháp làm lạnh trực tiếp.. Nĩ phù hợp với điều kiện của nhà máy, của kho lạnh như hệ thống khơng cồng kềnh, dễ điều chỉnh nhiệt độ….
4.2.2 Chọn mơi chất lạnh:
Mơi chất lạnh cĩ nhiệm vụ là mang nhiệt từ nơi cĩ nhiệt độ thấp đưa ra mơi trường cĩ nhiệt độ cao.
Mơi chất lạnh cĩ nhiều loại khác nhau, mỗi loại cĩ một tính chất và đặc điểm riêng. Căn cứ vào điều kiện cụ thể chọn mơi chất lạnh cho kho đang thiết kế là R22, sở dĩ chọn mơi chất lạnh này bởi vì nĩ đáp ứng được một số yêu cầu cụ thể trong hệ thống. R22 cĩ tính chất nhiệt động tốt, khơng độc hại đối với người cũng như cơ thể sống.
Những tính chất của R22:
- Cơng thức hố học: CHCLF2. - Tên gọi: Mono Clodiflo metan.
- Là chất khí khơng màu cĩ mùi thơm rất nhẹ, ở áp suất khí quyển nhiệt độ sơi là – 40,8 0C.
+ Tính chất vật lý:
- Ở điều kiện làm mát bằng nước vào mùa hè ở Việt Nam nhiệt độ ngưng tụ là 42 0C, áp suất ngưng tụ là 16,1 bar, là mơi chất cĩ áp suất ngưng tụ tương đối cao.
- Nhiệt độ cuối tầm nén trung bình, nhưng cần làm mát tốt ở đầu máy. - Năng suất lạnh riêng thể tích lớn gần bằng NH3 nên máy tương đối gọn. - Áp suất bay hơi lớn hơn áp suất khí quyển.
- Độ nhớt, tính lưu động kém hơn NH3 nên các đường ống, cửa van đều phải lớn hơn.
- Hồ tan hạn chế dầu nên gây khĩ khăn cho việc bơi trơn.
- Khơng hồ tan nước nhưng nĩ hồ tan lớn hơn 5 lần so với R12 nên máy ít cĩ nguy cơ bị tắc ẩm.
- Khơng dẫn điện nên cĩ thể sử dụng máy nén kín và nửa kín nhưng lỏng R22 lại dẫn điện nên tránh để lỏng lọt về máy nén.
+ Tính chất hố học:
- Bền ở phạm vi nhiệt độ và áp suất làm việc.
- Khi cĩ chất xúc tác là thép, bị phân huỷ ở nhiệt độ khoảng 550 0C thành phần là phosgene rất độc.
- Khơng tác dụng với kim loại, phi kim loại chế tạo máy. - Làm trương phồng cao su và một số chất dẻo đệm kín. - R22 là chất phá huỷ tầng Ozơn.
+ Tính cháy nổ: khơng cháy, khơng gây nổ. + Tính chất sinh lý:
- Khơng độc hại đối với cơ thể sống.
- Khơng làm biến chất thực phẩm bảo quản.
+ Tính kinh tế: R22 đắt nhưng dễ kiếm, vận chuyển và bảo quản dễ dàng. Tuy nhiên R22 làm tăng hiệu ứng nhà kính.
4.2.3 Chọn các thơng số của chế độ làm việc
Chế độ làm việc của một hệ thống lạnh được đặc trưng bằng 4 nhiệt độ sau. + Nhiệt độ sơi của mơi chất lạnh t0.
+ Nhiệt độ ngưng tụ của mơi chất lạnh tk.
+ Nhiệt độ quá lạnh của lỏng trước van tiết lưu tql. + Nhiệt độ hơi hút về máy nén ( nhiệt độ quá nhiệt ) tqn.
1) Nhiệt độ sơi của mơi chất lạnh
Nhiệt độ sơi của mơi chất lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ của kho lạnh. Cĩ thể lấy như sau:
t0 = tb - ∆t0, 0C Trong đĩ:
tb - là nhiệt độ kho lạnh. tb = - 25 0C;
∆t0 - là hiệu nhiệt độ yêu cầu.
Kho lạnh lựa chọn phương pháp làm lạnh trực tiếp, độ ẩm của khơng khí trong kho cao, hiệu nhiệt độ yêu cầu là 7 ÷ 80C nên chọn ∆t0 = 7 0C [1 ,171]. Vậy t0 = -25 - 7 = - 32 0C.
2) Nhiệt độ ngưng tụ:
Nhiệt độ ngưng tụ của hơi mơi chất lạnh phụ thuộc vào mơi trường làm mát và nhiệt độ của chất tải nhiệt chạy qua thiết bị ngưng tụ.
Thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh cĩ tác nhân làm mát là nước lấy từ nguồn nước ngầm qua hệ thống xử lý được tuần hồn khép kín qua tháp giải nhiệt.
Nhiệt độ ngưng tụ được xác định theo biểu thức: tk = tw2 + ∆tk, 0C
Trong đĩ:
tw2 - là nhiệt độ nước ra khỏi bình ngưng, 0C; ∆tk - là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu, 0C.
Chọn nhiệt độ ngưng tụ thực ra là một bài tốn tối ưu về kinh tế và kỹ thuật, để đạt giá thành một đơn vị lạnh là nhỏ nhất, nếu hiệu nhiệt độ ngưng tụ nhỏ, nhiệt độ ngưng tụ thấp, năng suất lạnh tăng nhưng phải tăng chi phí cho điện năng chạy bơm nước giải nhiệt....
∆tk =( 3 ÷ 5 )0C cĩ nghĩa là nhiệt độ ngưng tụ cao hơn nhiệt độ nước ra từ 3 ÷ 5 0C. [1,205] Chọn ∆tk =4 0C.
- Nhiệt độ nước đầu vào, đầu ra chênh lệch nhau( 2 ÷ 6) 0C phụ thuộc vào kiểu thiết bị ngưng tụ.
tw2 = tw1 + (2÷ 6) 0C. Với tw1 là nhiệt độ nước vào bình ngưng.
Thiết bị ngưng tụ trong cụm máy là thiết bị ngưng tụ ống trùm vỏ bọc nằm ngang nên chọn ∆tw = 5 0C. [1,205]
- Nhiệt độ nước vào bình ngưng phụ thuộc vào điều kiện mơi trường. tw1 = tư +( 3÷ 4) 0C.
Với tư : là nhiệt độ bầu ướt.
Tuy nhiên do đặc điểm địa chất tại đây nên nước giếng khoan ở đây khi bơm lên luơn luơn cĩ nhiệt độ từ 40 ÷ 450C. Vì vậy mà nước ở đây luơn được đi qua một hệ thống xử lý và làm mát trước khi đi qua thiết bị ngưng tụ.
Sau khi xử lý và làm mát thì nước cĩ nhiệt độ tw1 = 26 0C. Vậy ta cĩ tw1 = 26 oC.
tw2 =26+ 5 = 31oC. tk = 31 +4= 35 oC.
- Nhiệt độ quá nhiệt là nhiệt độ của hơi mơi chất trước khi vào máy nén. Nhiệt độ hơi hút bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ sơi của mơi chất.
- Mục đích của việc quá nhiệt hơi hút là để bảo vệ máy nén tránh khơng hút phải lỏng. Tuỳ từng loại mơi chất và máy nén mà cĩ nhiệt độ quá nhiệt khác nhau. - Đối với máy lạnh frêon, do nhiệt độ cuối tầm nén thấp nên độ quá nhiệt hơi hút cĩ thể chọn cao. Trong máy nén frêon, độ quá nhiệt hơi hút đạt được trong thiết bị hồi nhiệt.
Với mơi chất frêon độ quá nhiệt khoảng (20 ÷25)oC. Chọn ∆tqn = 20 oC.
Nên tqn = to + ∆tqn = -32 + 20 = -12oC.
4) Nhiệt độ quá lạnh (tql)
- Là nhiệt độ của mơi chất lỏng trước khi vào van tiết lưu. Nhiệt độ quá lạnh càng thấp thì năng suất lạnh càng cao.
- Do sự quá lạnh lỏng được thực hiện trong thiết bị hồi nhiệt, nên nhiệt thải ra của mơi chất lỏng cũng là nhiệt lượng mà hơi mơi chất sau khi bay hơi nhận vào.
- Từ nhiệt độ bay hơi và nhiệt độ quá nhiệt. Tra đồ thị lgp-i của mơi chất R22 ta được. to = -32oC ⇒ i1 = 591 kJ/kg. tqn = -10oC ⇒ i1’= 603 kJ/kg.
Vậy ∆ i1 = i1’ – i1 = 603 – 591 = 12 kJ/kg.
Với nhiệt độ ngưng tụ là 35oC , tra đồ thị lgp – i của mơi chất R22 ta được i3 = 436 kJ/kg.
Gọi i3’ là entanpi của điểm quá lạnh. Thì i1’ – i1 = i3 – i3’ = 12 kJ/kg
=> i3’ = i3 - ∆ i1 = 436 – 12 = 424 kJ/kg.
Với i3’ = 424 kJ/kg tra đồ thị lgp – I của R22 ta được tql = 26 oC. Các thơng số của hệ thống được trình bày ở bảng 4.1.
Bảng 4.1. Các thơng số của chu trình.
Nhiệt độ sơi của mơi chất lạnh, t0 Nhiệt độ ngưng tụ tk Nhiệt độ quánhiệt (tqn) Nhiệt độ quá lạnh (tql) - 32 0C 35 oC -12oC 26 oC
4.3. Chu trình lạnhChế độ làm lạnh của hệ thống lạnh: Chế độ làm lạnh của hệ thống lạnh: to = -32oC ⇒ po = 0,151 MPa. tk = 39oC ⇒ pk = 1,353 MPa. tqn = -12oC. tql = 26oC. Ta cĩ tỷ số nén Π = 8,96 151 , 0 353 , 1 = = o k p p .
Với tỷ số nén này ta chọn hệ thống lạnh cho kho bảo quản đơng ở nhà máy Minh Đăng là hệ thống lạnh trục vít một cấp.
*Ưu điểm:
- Đơn giản, dễ sử dụng. - Ít thiết bị và giá thành rẻ.
*Nhược điểm:
- Khi tỉ số nén cao thì hệ số cấp càng giảm.
- Nếu làm việc ở nhiệt độ bay hơi thấp nên nhiệt độ cuối quá trình nén cao dẫn đến cơng ép nén tiêu tốn lớn.
4.3.1. Sơ đồ chu trình biểu diễn trên đồ thị (lgp – i)
Sơ đồ chu trình và các thơng số được biểu diễn trên hình 4.3.
i(kJ/kg) TBBH
Sơ đồ chu trình. Biểu diễn trên đồ thị lgP-i TL2 4 TBQL 3' TL1 3 1 1' 4 Po,To 3' 3 Pk,Tk 1 1' 2' 2 TBNT MN 2 P(bar) NƯỚC
Hình 4.3. Sơ đồ và các thơng số chu trình.